細(xì)胞內(nèi)環(huán)境是一個由各種分子組成的非勻相體系，充滿了成千上萬的大分子（如蛋白質(zhì)、脂分子、RNA以及核糖體），一些不直接參加生化反應(yīng)的大分子大約占據(jù)了細(xì)胞空間的20%-40%，使得細(xì)胞空間形成了“擁擠（crowded）”環(huán)境。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計計算課題組利用數(shù)學(xué)建模和定量分析研究了細(xì)胞擁擠環(huán)境下MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的生化反應(yīng)規(guī)律和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)動力學(xué)，研究結(jié)果近日發(fā)表在美國生物物理雜志Biophysical Journal（106,1215-1226,2014）上。

　　已有的很多研究一般采用分布型(distributive mechanism)磷酸化機制研究MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，而最近的哺乳動物細(xì)胞實驗結(jié)果表明：在細(xì)胞擁擠環(huán)境中，MAPK級聯(lián)反應(yīng)能夠由分布型磷酸化過渡到過程型（processive mechanism)磷酸化機制。

　　為了闡明過程型磷酸化機制對于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路動力學(xué)的影響，數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計計算課題組孫建強博士等建立了蛋白質(zhì)混合型磷酸化機制的數(shù)學(xué)模型，將兩種磷酸化機制整合在一起，并引進了兩個關(guān)鍵的生物物理參數(shù)即細(xì)胞擁擠因子和過程型比率系數(shù)。基于該理論模型進一步研究了磷酸化過程型作用機制對MAPK級聯(lián)通路磷酸化活性的影響。結(jié)果顯示：調(diào)節(jié)過程型比率能夠定性改變MAPK信號模塊的動力學(xué)響應(yīng)，使得該級聯(lián)模塊在振蕩、雙穩(wěn)以及超靈敏性等狀態(tài)之間切換，然而細(xì)胞擁擠因子只影響信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的時間尺度；進一步研究發(fā)現(xiàn)過程型機制的變化能夠提高或抑制磷酸化信號的空間傳播效率。因此細(xì)胞擁擠環(huán)境使得MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路功能上更靈活，提高了生物網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)性（tunability）。

　　近年來，該小組在“定量生物計算”方面進行了系列研究，其中關(guān)于芽殖酵母細(xì)胞命運抉擇機制的定量研究工作（Biophysical Journal，104,2282-2294,2013）被收錄入《美國生物物理雜志》2013年度“定量細(xì)胞生物學(xué)”精選集（Collection: Quantitative Cell Biology）。目前該課題組正在推進隨機環(huán)境下酵母細(xì)胞命運抉擇精確性的定量研究。

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金委面上項目以及重大研究計劃培育項目的支持。